Tecnología de PCB - ¿¿ por qué los PCB se dividen en tierra digital y tierra analógica?

¿1 ¿ por qué se divide la puesta a tierra digital y la puesta a tierra analógica?

Porque aunque están interconectados, las distancias son más largas y las diferencias son diferentes. El voltaje en diferentes puntos del mismo cable puede ser diferente, especialmente cuando la corriente es alta. Debido a la resistencia del cable, se produce una caída de tensión cuando la corriente fluye. Además, los cables tienen inductores distribuidos, y la influencia de los inductores distribuidos se mostrará bajo la señal de ca. Así que debemos dividirlo en digital y analógico, porque el ruido de alta frecuencia de las señales digitales es muy grande, y si se mezclan analógico y digital, el ruido se transmite a la parte analógica y causa interferencia. Si el suelo está separado, el ruido de alta frecuencia se puede aislar filtrando en la fuente de alimentación. Sin embargo, si estas dos razones se mezclan, no es fácil filtrar. Por eso los PCB deben dividirse en tierra digital y tierra analógica.

2 cómo diseñar la puesta a tierra digital y la puesta a tierra analógica

Antes de diseñar, debemos entender dos principios básicos de compatibilidad electromagnética (emc): el primero es minimizar el área del Circuito de corriente; El segundo principio es que el sistema solo utiliza una superficie de referencia. Por el contrario, si el sistema tiene dos planos de referencia, es posible formar una antena dipolo (nota: el tamaño de radiación de la antena dipolo pequeño es proporcional a la longitud de la línea, la cantidad de corriente y la frecuencia); Si la señal no puede pasar tanto como sea posible, el retorno del pequeño anillo puede formar una antena de anillo grande (nota: el tamaño de la radiación de la antena de anillo pequeño es proporcional al cuadrado del área del anillo, la corriente y la frecuencia que fluye a través del anillo). Ambas situaciones se evitan en la medida de lo posible en el diseño.

Se recomienda separar el suelo digital del suelo analógico en una placa de circuito de señal mixta, lo que permite el aislamiento entre el suelo digital y el suelo analógico. Aunque este enfoque es factible, todavía hay muchos problemas potenciales, especialmente en sistemas complejos y a gran escala. El problema más crítico es que no puede superar la brecha sectorial. Una vez que se encamina la brecha dividida, la radiación electromagnética y la conversación cruzada de señales aumentarán drásticamente. El problema más común en el diseño de PCB es que el cable de señal pasa por un suelo o fuente de alimentación separados y genera problemas emi.

Utilizamos el método de División anterior, y la línea de señal pasa por la brecha entre los dos puntos de tierra. ¿¿ cuál es la ruta de retorno de la corriente de la señal? Suponiendo que dos puntos de tierra separados estén conectados en algún lugar (generalmente una conexión de un solo punto en algún lugar), en este caso, la corriente de tierra formará un gran circuito. La corriente de alta frecuencia que fluye a través del gran circuito produce radiación e inducción de alta tierra. Si la corriente analógica de bajo nivel fluye a través del gran circuito, la corriente es fácilmente perturbada por señales externas. En el peor de los casos, se formará un circuito de corriente muy grande cuando el suelo separado esté conectado a la fuente de alimentación. Además, analógicamente y digitalmente se conectan a través de largos cables para formar una antena dipolo.

Comprender el camino y el método del lugar de retorno de la corriente es la clave para optimizar el diseño de la placa de circuito de señal mixta. Muchos ingenieros de diseño solo consideran el flujo de la corriente de la señal e ignoran el camino específico de la corriente. Si se debe dividir la formación de puesta a tierra y el cableado debe pasar por el hueco entre las zonas, se puede hacer una conexión de un solo punto entre las puesta a tierra divididas para formar un puente de conexión entre las dos puesta a tierra, y luego se puede cableado a través del puente de conexión. De esta manera, se puede proporcionar una ruta de retorno de corriente continua fuera de cada línea de señal, lo que hace que el área del bucle formado sea pequeña.

El uso de dispositivos de aislamiento óptico o transformadores también puede lograr señales que abarcan las brechas divididas. Para el primero, es una señal óptica que atraviesa la brecha de división; En el caso de los transformadores, lo que pasa por la brecha de División es el campo magnético. Otra forma viable es utilizar señales diferenciales: las señales fluyen de una línea y regresan de otra. En este caso, no es necesario tomar tierra como ruta de retorno.

Para explorar en profundidad la interferencia de las señales digitales en las señales analógicas, primero debemos entender las características de las corrientes de alta frecuencia. Para las corrientes de alta frecuencia, siempre se elige el camino con la menor resistencia (menor inducción) y directamente debajo de la señal, por lo que la corriente de retorno fluirá a través de las capas de circuito adyacentes, ya sea que las capas adyacentes sean capas de alimentación o capas de tierra. En el trabajo práctico, generalmente se tiende a utilizar una puesta a tierra unificada y los PCB se dividen en partes analógicas y digitales. Las señales analógicas se dirigen en áreas analógicas de todas las capas de la placa de circuito, mientras que las señales digitales se dirigen en áreas de circuito digital. En este caso, la corriente de retorno de la señal digital no fluirá a la señal analógica a tierra.

La interferencia de las señales digitales con las señales analógicas solo se produce cuando las señales digitales están cableadas en la parte analógica de la placa de circuito o cuando las señales analógicas están cableadas en la parte digital de la placa de circuito. Este problema no ocurre porque no hay puntos de tierra, la verdadera razón es el cableado inadecuado de las señales digitales. El diseño del PCB adopta un suelo unificado, a través de la División de circuitos digitales y analógicos y el cableado de señal adecuado, generalmente puede resolver algunos problemas de diseño y cableado más difíciles, sin causar algunos problemas potenciales causados por la División del suelo. En este caso, el diseño y la zonificación de los componentes se convierten en la clave para determinar los pros y los contras del diseño. Si el diseño es razonable, la corriente de tierra digital se limitará a la parte digital de la placa de circuito y no interferirá con la señal analógica. Este tipo de cableado debe revisarse y verificarse cuidadosamente para garantizar que el 100% cumpla con las reglas de cableado. De lo contrario, el cableado incorrecto del cable de señal destruirá por completo la placa de circuito que originalmente era muy buena.

Al conectar los pines de tierra analógicos y digitales del convertidor A / d, la mayoría de los fabricantes de convertidores A / D recomiendan conectar los pines agnd y dgnd al mismo suelo de baja resistencia a través del cable más corto (nota: debido a que la mayoría de los chips de convertidor A / D no conectan el suelo analógico al suelo digital, los cables de tierra analógicos y digitales deben conectarse a través de pines externos. ) Cualquier resistencia externa conectada a la dgnd pasará por un capacitor parasitario. Más Ruido digital está acoplado a circuitos analógicos dentro del ic. De acuerdo con esta recomendación, es necesario conectar los pines agnd y dgnd del convertidor A / D al suelo analógico, pero este método puede causar problemas como si el terminal de tierra del capacitor de desacoplamiento de señal digital debe conectarse al suelo analógico o al suelo digital.

Si el sistema solo tiene un convertidor A / d, los problemas anteriores se pueden resolver fácilmente. Separe el suelo y conecte el suelo analógico y el suelo digital bajo el convertidor A / D. Al adoptar este método, es necesario asegurarse de que el ancho del puente de conexión entre los dos puntos de tierra es el mismo que el ancho del IC y que ninguna línea de señal puede pasar por la brecha dividida.

¿Por ejemplo, si hay muchos convertidores A / D en el sistema, ¿ cómo conectar 10 convertidores A / d? Si el suelo analógico y el suelo digital se conectan bajo cada convertidor A / d, se generan conexiones multipunto, y el aislamiento entre el suelo analógico y el suelo digital no tiene sentido. Si no te conectas de esta manera, violas los requisitos del fabricante. Si tiene dudas sobre la puesta a tierra uniforme del diseño de PCB de señal mixta, puede usar el método de División de formación de puesta a tierra para diseñar y cableado de toda la placa de circuito. Al diseñar, se debe tener cuidado de hacer que la placa de circuito sea fácil de usar en experimentos posteriores. La distancia es inferior a 1 / 2 pulgadas. Los cables de salto o las resistencias de 0 Ohm se conectarán por separado. Preste atención a la zonificación y el cableado para asegurarse de que no hay líneas de señal digital por encima de la parte analógica de todas las capas, y no hay líneas de señal analógicas por encima de la parte digital. Además, ningún cable de señal puede pasar por el espacio entre el suelo o entre fuentes de alimentación separadas. Para probar la función y el rendimiento EMC de la placa de circuito, conecte los dos puntos de tierra a través de una resistencia de 0 Ohm o un saltador, y luego vuelva a probar la función de la placa de circuito y las características emc. Comparando los resultados de las pruebas, encontrará que en casi todos los casos, las soluciones unificadas son mejores que las soluciones separadas en términos de función y rendimiento emc.

¿¿ sigue siendo útil el método de División de la tierra?

Este método se puede utilizar en los siguientes tres casos: algunos dispositivos médicos necesitan conectarse a la baja corriente de fuga entre el circuito y el sistema del paciente; Las salidas de algunos equipos de control de procesos industriales pueden conectarse a sistemas electromecánicos ruidosos y potentes. Equipo Otro caso es cuando el diseño del PCB está sujeto a restricciones específicas.

Por lo general, hay fuentes de alimentación digitales y analógicas independientes en el tablero de PCB de señal mixta, y se puede o debe utilizar un plano de alimentación dividido. Sin embargo, los cables de señal cercanos a la capa de alimentación no pueden pasar por la brecha entre las fuentes de alimentación, y todos los cables de señal que pasan por la brecha deben estar ubicados en la capa de circuito cerca de una gran área de tierra. En algunos casos, el diseño de una fuente de alimentación simulada con un cable de conexión PCB en lugar de una sola superficie puede evitar el problema de dividir la superficie de la fuente de alimentación.